JP2003131357A - 投影露光用マスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細な孤立パターンの像をウエハ面上に転写
可能にする投影露光用マスクを提供する。 【解決手段】 マスク基板１上のパターンを照明光束４
によって照明し、該パターンの像を投影光学系９を介し
て像面上に投影転写する際に用いられる投影露光用マス
クにおいて、マスク基板１に設けられたライン状の遮光
部２と光透過部の境界において、一方の境界からの散乱
光５と他方の境界からの散乱光６の位相が１８０度異な
るように位相シフタ３を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、液晶
表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に使
用される投影露光用マスクに関し、特に投影光学系の像
面位置に設けられた感光性の基板上に、微細なマスクパ
ターン像を形成する際に用いられる投影露光用マスクに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、半導体素子、液晶表示素子また
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィ工程で製造す
る際、フォトマスクパターンの像を投影光学系を介して
フォトレジストが塗布されたウエハ上に露光する投影露
光装置が使用されている。

【０００３】露光光の波長をλ、投影光学系の開口数を
ＮＡ、そしてプロセス定数をｋ₁ とすると、投影光学系
の解像限界はｋ₁ λ／ＮＡによって表され、露光波長λ
が短く、開口数ＮＡが大きい程解像度が高くなる。最近
の半導体素子を例に取ると、ＬＳＩの一層の高集積化に
伴って、素子形成に必要なパターン線幅は微細化の一途
をたどっている。そのため、ＮＡの向上、λの短波長化
だけでは微細化の要求に答えられないため、位相シフト
法や変形照明法等の所謂解像度向上技術の適用が必須と
なっている。特に、メモリの回路パターンのような周期
的なパターンを投影露光する際には、位相シフト法や変
形照明法を用いることにより解像度の大幅な向上が実現
されることが知られている。

【０００４】図７は、従来例に係る通常の投影露光方法
により周期パターン像を形成する方法を説明する図であ
り、図７を用いて投影露光装置による従来の像形成方法
を説明する。同図において、１００はマスク基板であ
り、周期２Ｌのパターンを形成するように幅Ｌの複数の
光遮光部１０１が設けられている。このようなパターン
を上方からの照明光１０２で照明することにより、０次
回折光１０３、１次回折光１０４、−１次回折光１０５
が発生し、これらが投影光学系１０６に取り込まれ、投
影光学系１０６の像面上に配置された半導体ウエハ１０
７上で干渉することにより、光学像１０８が形成され
る。ウエハ１０７には感光性のレジストが予め塗布され
ており、光学像１０８によってレジストが感光すること
により、マスク１００上のパターンがウエハ１０７上に
転写される。回折光１０４、１０５が光学系１０６の光
軸と成す角度θは、照明光の波長をλとして下記の数式
で与えられる。 ２Ｌｓｉｎθ＝λ …（１）

【０００５】投影光学系１０６のマスク側開口数をＮＡ
として、ｓｉｎθ≦ＮＡの場合には像が形成され、２Ｌ
が小さくなって回折角度θが大きくなり、ｓｉｎθ＞Ｎ
Ａとなると、ウエハ面の上にはもはや像は形成されなく
なってしまう。そのため、解像可能なパターン線幅Ｌと
しては、下記に示す数式が理論的な限界となる。 Ｌ≧λ／（２ＮＡ） …（２）

【０００６】図８は、レベンソン型位相シフト法として
知られているマスクの断面を表す図である。透明なマス
ク基板１１０上に幅Ｌの遮光部１１１を設け、幅Ｌの光
透過部との繰り返しによってパターンを形作る点は従来
のマスクと同様である。しかし、光透過部の一つおきに
隣接する光透過部からの透過光の位相を反転させる位相
シフタ１１２が設けられていることが特徴である。この
ようなマスクを照明光１１３で垂直に照明することによ
り、位相シフタの効果によって本来１１４の方向に発生
する０次回折光は消滅し、４Ｌを一周期とするパターン
構造からの１次回折光１１５および−１次回折１１６に
よりウエハ面上に光学像が形成されることになる。この
場合の回折光の角度θは下記に示す数式によって与えら
れる。 ４Ｌｓｉｎθ＝λ …（３）

【０００７】解像可能なパターン線幅の範囲は、下記の
数式で示される。 Ｌ≧λ／（４ＮＡ） …（４） 上記した式（２）による従来法の解像限界に比較して、
式（４）では解像度が２倍に向上することが分かる。

【０００８】図９は、従来例に係る斜入射照明法の原理
を説明する図である。同図において、マスク基板１２０
上には、幅Ｌの遮光部１２１が周期的に設けられ、周期
２Ｌのパターンが形成されている。ここで、上記した図
７で説明したように、パターンを投影光学系の光軸に平
行な方向から照明すると、解像限界は式（２）で与えら
れる。斜入射照明法の特徴は、照明光１２２をパターン
の繰り返し方向を含む面（紙面）内で角度θだけ傾ける
ことである。そして、角度θの方向に発生する０次回折
光１２４と、角度βの方向に発生する１次回折光１２５
によって像を形成する。ここで、β＝θの条件を選ぶこ
とで、回折光の発生状況は図８の位相シフト法と同様に
なり、式（４）の解像度が実現される。β＝θとするた
めには、照明光の入射角度θとして、下記の数式の条件
を満たす必要がある。 ｓｉｎθ／λ＝１／（４Ｌ） …（５） 周期的なパターンについては、上述の方法を用いること
により解像度の向上が可能となるが、いわゆる孤立パタ
ーンに対しては、次数の異なる複数の回折光が像面上で
干渉して像を形成するという考え方が成り立たない。そ
のため、孤立パターンでは、上記の方法を適用すること
ができない。

【０００９】図１０は、従来の孤立パターン形成用の投
影露光法を説明する図であり、図１０を用いて孤立パタ
ーンの像形成について説明する。同図において、１３０
は透明なマスク基板であり、その上に紙面と垂直方向に
伸びた光遮光部１３１が設けられている。

【００１０】このようなマスクを照明光１３２で照明す
ることにより、遮光部１３１以外を透過した光（図１０
中１３３，１３４）、および遮光部１３１のエッジで散
乱された光（図１０中１３５，１３６）が投影光学系１
３７を介して半導体ウエハ１３８に導かれ、光学像１３
９が形成される。

【００１１】図１１は、図１０の孤立パターン形成用の
投影露光法によりウエハ上に形成されるレジストパター
ン形状を説明する図である。ウエハ１３８上には感光性
のレジストが塗布されており、現像後に得られるレジス
ト形状は図１１に示す通りとなる。同図において、１４
０はレジストであり、レジストがポジタイプの場合には
図１１（ａ）に示す形状、レジストがネガタイプの場合
には同図（ｂ）に示す形状が得られる。但し、ここで図
１０の遮光部１３１の線幅Ｌが減少すると光学像１３９
が不明瞭となるため、形成可能なレジスト像の幅には下
限が存在することになる。

【００１２】図１２は、図１０の遮光部１３１の線幅Ｌ
の変化による光学像の劣化の過程を示す図である。Ｌの
大きさおよび図１２の横軸はλ／ＮＡで規格化された値
となっており、例えばλ＝１９３［ｎｍ］、ＮＡ＝０．
７の場合には図１２に示す数値×２７６［ｎｍ］が実際
の値となる。また、図１２の縦軸は光強度を表し、遮光
部１３１の影響が及ばない位置の強度が１となるように
規格化されている。ウエハ上に微細なパターン像を形成
するためには、光強度が弱くなる部分（暗部）の幅を小
さくする必要があるが、同時に暗部の光強度がほぼゼロ
となるように抑えることも必要である。マスク上の遮光
部の幅Ｌを狭くするに従って暗部の幅は減少するが、中
心強度をゼロに抑えるという条件からはＬ＝０．５程度
が下限となることが分かる。ここで、光強度＝０．５と
なる位置で暗部の幅ｗを定義すれば、ｗ＝０．７７７が
暗部線幅の最小値となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来例で説明したよう
に、遮光部線幅Ｌが小さくなると良好な光学像が得られ
ないため、ウエハ面上に微細な線幅を有する孤立のレジ
ストパターンを形成することが不可能になる。ＬＳＩ等
のさらなる高集積化の要求に答えるには、周期パターン
と共に微細な孤立パターン形成が可能な装置または方法
の開発が急務となっている。

【００１４】本発明の目的は、微細な孤立パターンの像
をウエハ等の被露光基板面上に転写可能にする投影露光
用マスクを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の投影露光用マスクは、パターン像を投影光
学系を介して像面上に投影転写する際に照明光束によっ
て照明される投影露光用マスクにおいて、前記投影露光
用マスクは、前記照明光束を遮光する遮光部と、前記照
明光束を透過する透過部との境界で、一方の境界からの
散乱光と他方の内の全部または一部の境界からの散乱光
との位相が１８０度異なる構成を有することを特徴とす
る。ここで、前記遮光部が所定の幅を有する１次元方向
のパターン形状の場合は、前記遮光部と前記透過部の２
つの境界の内、一方の境界からの散乱光と他方の境界か
らの散乱光の位相が１８０度異なる構成とするとよい。

【００１６】本発明においては、前記投影露光用マスク
は、前記遮光部と前記透過部の境界の一部に透過光の位
相を反転させる位相シフタが設けられていることが好ま
しい。また、前記位相シフタの幅は、前記照明光束の波
長以下であるとよい。

【００１７】

【作用】本発明の投影露光用マスクを投影露光に適用す
ることにより、微細な孤立パターンの像を、良好な解像
度で感光性のレジストが塗布された半導体ウエハ等の基
板上に形成することが可能となる。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例について詳細に説明す
る。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例におけ
る投影露光用マスクを説明する図であり、第１の実施例
における投影露光用マスクの原理を図１を用いて説明す
る。同図において、１は透明なマスク基板であり、遮光
部２、および位相シフタ３によってマスクパターンが構
成される。簡単化のため、パターンとしては、紙面と垂
直方向に長く伸びた１次元物体として説明を進める。

【００１９】本実施例の特徴は、マスク１を波長λの照
明光４によって照明する際、遮光部２の右端と左端を照
明する光束の位相が相対的に１８０度（長さにしてλ／
２）ずれることにある。

【００２０】そのため、遮光部２の左側のエッジから発
せられる散乱光５と、右側のエッジから発せられる散乱
光６は、相対的に位相が反転することになる。投影光学
系９には、散乱光束５，６と共にマスクを直接透過した
光束７，８が入射し、半導体ウエハ１０上に導かれて光
学像１１が形成される。光学像１１は、散乱光束５，６
およびマスクを直接透過した光束７，８間の干渉によっ
て形成されることになる。ここで、ウエハ１０上の中心
位置（図１中Ｏ）は、幾何光学的にはマスク上の遮光部
２の影となるため、マスクを直接透過した光束は存在し
ない。このため、遮光部２の両エッジからの散乱光間の
干渉によって像が形成されることになるが、本実施例の
マスクにより散乱光５，６の位相が反転しているため、
点Ｏでは両者の振幅が打ち消しあって、結果的に非常に
シャープな暗線が形成されることになる。

【００２１】図２は、図１のマスクの構成を説明する図
であり、図２（ａ）はマスク断面を示す図である。マス
ク基板１と共にマスクパターンを構成する遮光部２の線
幅はＬであり、位相シフタ３のうち光が透過する部分の
幅をＬ’で表す。また、位相シフタ３のうち光が透過す
る部分の厚さｄは、位相シフタ部材の屈折率をｎ、光束
の波長をλとすれば、下記に示す数式で与えられること
は通常の位相シフトマスクの場合と同様である。 ｄ＝λ／（２（ｎ−１）） …（６）

【００２２】図２（ｂ）は、図２（ａ）のマスクによっ
て与えられる振幅透過率を表す図である。横軸をｘ軸と
すると、このマスクの特性はｘ≦−Ｌ／２およびｘ≧Ｌ
／２＋Ｌ’では振幅透過率１、−Ｌ／２≦ｘ≦Ｌ／２で
は振幅透過率０、そしてＬ／２≦ｘ≦Ｌ／２＋Ｌ’では
振幅透過率−１として表せる。

【００２３】次に、従来法との定量的な比較を行うため
に、シミュレーションによって像評価を行う。モデルを
簡単化するため、照明光はコヒーレントであり、マスク
は照明光によって垂直に照明されているとする。また、
マスクからウエハ面への結像倍率は等倍であるとして説
明を進める。この場合、スカラー回折理論によって、半
導体ウエハ上に形成される光強度分布は下記に示す数式
によって与えられることが分かる。

【００２４】 Ｉ（ｘ）＝｜１＋Ａ＋Ｂ｜² …（７）但し、

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで、線幅Ｌ、Ｌ’は共にλ／ＮＡで規
格化された値となっている。図３は、遮光部の線幅をＬ
＝０．２５に固定して、位相シフタの幅Ｌ’を変化させ
た場合の半導体ウエハ上に形成される光強度分布の計算
結果を示す図である。Ｌ’＝０が図１０で説明した従来
法による孤立パターン像形成方法に対応する。Ｌ’＝
０．０５、あるいはＬ’＝０．０７５とすることによ
り、Ｌ'=０の場合に比較して、像の特性が向上している
ことが分かる。位相シフタ部の最適な幅は、実際にはパ
ターンの照明条件、レジスト特性等も加味した上で、シ
ミュレーションあるいは実験的に決められるものであ
る。しかし、図３の計算結果から判断する限りは、Ｌ’
＝０．０５とＬ’＝０．０７５の場合にほとんど等しい
光強度分布が得られており、最適幅の範囲にはかなりの
余裕度があると言える。

【００２７】図４は、本実施例における適用可能なマス
クの構成（ａ）〜（ｅ）を示す図である。図４（ａ）
は、図１に示したものと同様であり、２０はマスク基
板、２１は遮光部、２２は位相シフタ部をそれぞれ表
す。図４（ｂ）の場合は、２３はマスク基板、２４は遮
光部をそれぞれ表し、２５は位相シフタ部を表す。位相
シフタ部と遮光部が重なっていない点が（ｂ）の構成の
特徴である。次に、図４（ｃ）では、２６はマスク基
板、２７は遮光部、２８は位相シフタ部をそれぞれ表
し、位相シフタ部２８が遮光部２７の反対側に付加され
ている点が特徴である。図４（ｄ）では、マスク基板２
９に上述の位相シフタと同じ厚さの堀込が形成されてお
り、その掘り込みの一部を残して遮光部３０が付加され
ている。最後に、図４（ｅ）では、図４（ｄ）と同様、
マスク基板３１に位相シフタ効果を実現するための堀込
みが形成されているが、遮光部３２は掘り込み部の側壁
および堀込みが無い部分の一部も覆っていることが特徴
である。図４で示した何れの構造によっても、図３で説
明した本実施例の効果を実現することが可能となる。最
適な構成は、マスクの作りやすさ、あるいは半導体プロ
セス全体との整合性から選ばれるものである。

【００２８】（第２の実施例）以上の説明では、マスク
上のパターンとして幅Ｌに直交する方向には長さが大き
く伸びた所謂一次元パターンを考えてきた。しかしなが
ら、ＬＳＩ上の実際の回路パターンでは、一方向ではな
くｘ，ｙの２方向に伸びた構成が多用されることが知ら
れている。そこで、本実施例では、本発明をそのような
二次元パターンに適用した好ましい場合について説明を
行う。

【００２９】図５は、本発明の第２の実施例におけるマ
スクの面内方向における構成を示す模式図であり、典型
的な２種類（（ａ）図および（ｂ）図）の二次元パター
ンに本実施例を適用した状態を示すものである。図５
（ａ）において、４０は遮光部、４１および４２は位相
シフタ部である。また、図５（ｂ）において、４３は遮
光部、４４および４５は位相シフタ部である。これらの
二次元パターンは、ｘ方向に伸びた部分、ｙ方向に伸び
た部分に分割して考えることにすれば、それぞれ一次元
遮光ラインの片側のエッジに位相シフタ部を設けた構造
となっており、上記した第１の実施例で説明した通りの
像特性の向上が実現される。

【００３０】図６は、本実施例における図５（ｂ）のマ
スクパターンを適用することの効果を表す図である。図
６（ａ）には、図５（ｂ）で位相シフタ部４４，４５を
設けずに遮光部４３のみでマスクパターンを形成した場
合におけるウエハに投影露光される光強度の等高線分布
を表す。条件としては、図３で示した計算と同様に、遮
光部４３の線幅はＬ＝０．２５としている。但し、照明
光は、ここでは完全なコヒーレントではなく、実際の投
影露光装置で使用させる条件を考慮してコヒーレンスフ
ァクタσ＝０．３としている。光量の表し方として、パ
ターンより十分に離れた位置の値が１００となるように
規格化されており、それに対して２５，５０，７５，１
００の光量となる位置で等高線を描いている。図６
（ａ）の光強度分布に対して、図５（ｂ）のマスクパタ
ーンに位相シフタ４４，４５を適用して得られるウエハ
面上光強度の等高線分布を図６（ｂ）に示す。ここで
は、位相シフタ部４４，４５の幅はＬ’＝０．０５とし
ている。等高線の表記法は、図６（ａ）と同様である。
図６（ａ）と（ｂ）を比較すると、本実施例を適用する
ことにより、ウエハ上に形成されるパターン像の特性が
大きく改善されていることが分かる。

【００３１】図５で示したパターン以外にも、ライン状
の孤立パターンであれば、本実施例は如何なる形状のパ
ターンにも適用可能なことが大きな特長である。

【００３２】

【発明の効果】本発明の投影露光用マスクを用いること
により、微細な孤立パターンの像を高精度に形成するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例における投影露光用マ
スクを説明する図である。

【図２】 図１のマスクの構成を説明する図であり、図
２（ａ）はマスク断面を示す図、図２（ｂ）は図２
（ａ）のマスクによって与えられる振幅透過率を表す図
をそれぞれ示す。

【図３】 本発明の第１の実施例における遮光部の線幅
をＬ＝０．２５に固定して、位相シフタの幅Ｌ’を変化
させた場合の半導体ウエハ上に形成される光強度分布の
計算結果を示す図である。

【図４】 本発明の第１の実施例における適用可能なマ
スクの構成（ａ）〜（ｅ）を示す図である。

【図５】 本発明の第２の実施例におけるマスクの面内
方向における構成を示す模式図であり、図５（ａ）は典
型的な二次元パターン、図５（ｂ）は典型的な別の種類
の二次元パターンをそれぞれ示す。

【図６】 本発明の第２の実施例における図５（ｂ）の
マスクパターンを適用することの効果を表す図であり、
図６（ａ）は図５（ｂ）で位相シフタ部４４，４５を設
けずに遮光部４３のみでマスクパターンを形成した場合
におけるウエハに投影露光される光強度分布の等高線分
布、図６（ｂ）は図５（ｂ）のマスクパターンに位相シ
フタ４４，４５を適用して得られるウエハ面上光強度分
布の等高線分布をそれぞれ示す。

【図７】 従来例に係る通常の投影露光方法により周期
パターン像を形成する方法を説明する図である。

【図８】 従来のレベンソン型位相シフト法として知ら
れているマスクの断面を表す図である。

【図９】 従来例に係る斜入射照明法の原理を説明する
図である。

【図１０】 従来の孤立パターン形成用の投影露光法を
説明する図である。

【図１１】 図１０の孤立パターン形成用の投影露光法
によりウエハ上に形成されるレジストパターン形状を説
明する図であり、（ａ）はレジストがポジタイプの場
合、（ｂ）はレジストがネガタイプの場合をそれぞれ示
す。

【図１２】 図１０の遮光部１３１の線幅Ｌの変化によ
る光学像の劣化の過程を示す図である。

【符号の説明】

１，２０，２３，２６，２９，３１，１００，１１０，
１２０：マスク基板、２，２１，２４，２７，３０，３
２，４０，４３，１０１，１１１，１２１，１３１：遮
光部、３，２２，２５，２８，４１，４２，４４，４
５，１１２：位相シフタ、４，１０２，１１３，１２
２，１３２：照明光、５，１３５：遮光部２の左側のエ
ッジから発せられる散乱光、６，１３６：遮光部２の右
側のエッジから発せられる散乱光、７，８，１３３，１
３４：マスク基板１を直接透過した光束、９，１０６，
１３７：投影光学系、１０，１０７，１３８：半導体ウ
エハ、１１，１０８，１３９：光学像、１０３，１２
３：０次回折光、１０４，１１５，１２５：１次回折
光、１０５，１１６：−１次回折光、１１４：０次回折
光が発生する方向、１４０：レジスト。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターン像を投影光学系を介して像面上
   に投影転写する際に照明光束によって照明される投影露
   光用マスクにおいて、 前記投影露光用マスクは、前記照明光束を遮光する遮光
   部と、前記照明光束を透過する透過部との境界で、一方
   の境界からの散乱光と他方の内の全部または一部の境界
   からの散乱光との位相が１８０度異なる構成を有するこ
   とを特徴とする投影露光用マスク。
2. 【請求項２】 前記投影露光用マスクは、前記遮光部と
   前記透過部の境界の一部に透過光の位相を反転させる位
   相シフタが設けられていることを特徴とする請求項１に
   記載の投影露光用マスク。
3. 【請求項３】 前記位相シフタの幅は、前記照明光束の
   波長以下であることを特徴とする請求項２に記載の投影
   露光用マスク。